现代高强度铌微合金化结构钢_杨雄飞.pdf

世界金属导报/2013 年/2 月/26 日/第 B04 版 轧钢技术 现代高强度铌微合金化结构钢 杨雄飞 第 1 页 共 8 页 第 2 页 共 8 页 第 3 页 共 8 页 第 4 页 共 8 页 1 概述 钢在民用建筑工程中的应用具有如下优势:①缩短施工时间；②降低成本；③减少维护；④提 高承载能力；⑤更高的强度/重量比。这些优势在当今不断提高的环保意识和高经济性的市场中仍 然十分突出，建筑行业使用高强度钢比例不断增大。这不仅能保证大胆创新的建筑工程得以实现， 而且也实现了资源节约，保证工程投资回报期提前。然而，除了常规力学性能外，这些钢应满足 使用性能要求，如现场焊接性、低温性能等。 一般情况下，通过提高合金元素添加量来实现更高强度，但这会使钢的淬透性提高，这样， 在焊接时如果没有采用合适的焊接参数，则出现脆性断裂和氢致裂纹的风险增加。如今，现代化 轧机具备生产屈服强度 500MPa、厚度接近 100mm 钢板的能力。这些钢可被归类为可焊接细晶微 合金化钢种，母材及焊接热影响区(HAZ)都具有优异的韧性。一般，这些钢通过热机械加工(TMCP) 结合加速冷却途径生产，通常在焊接前不需要预热处理。欧洲标准 EN 10025-4 涵盖名义最低屈服 强度275MPa 、355MPa、420MPa 、460MPa 和名义低温冲击韧性-20℃(M 钢)和-50℃(ML 钢) 的TMCP 钢种。 2 建筑用含铌高强度钢(HSS) 应用更高强度钢可以显著降低钢板厚度，实现减重。当材料只承受单向应力时，实现减量效 果最好，即将屈服强度提高一倍，钢材仅需要一半的壁厚就可以承受相同载荷。即使考虑由弯曲 或扭转载荷产生的其他应力作用，减重效果依然显著。这种效果可由用不同强度水平钢制作的梁 的例子证明( 图 1)。 尽管这类 HSS 的价格更高，但其材料节省量足以补偿材料成本的增加。此外，所需总的材料 重量减少，从而减少结构制作成本以及运输和人工处理等成本。另外，现代高强度钢的应用也可 以节省钢结构所需要的焊接。随着壁厚降低，所需焊接金属量也随之减少，减少量呈二阶指数， 更为重要的是焊接金属量决定了部件制作所需的生产时间。 经济效益应在结构安全得到保障的前提下才能考虑。研究已经表明:首先，钢在将要使用的服 役温度下一定不能呈现脆性；其次，钢应具有优异塑性，承受任何裂纹扩展。图 2 给出了断裂力 学测试结果，结果表明，更大的缺陷长度及更高强度钢需要更高的韧性水平以保证结构安全。从 图2 可以看出，所需的断裂力学值随屈服强度增加呈指数上升。因此，这对钢铁冶金工作者开发 第 5 页 共 8 页 出能同时具有更高强度和更好韧性水平的钢提出了挑战。实现这一目标的关键方式之一是通过铌 (Nb)微合金化的使用，它能保证开发出的钢既具有更高强度又具有良好韧性。欧洲钢结构设计规 范(EN 1993-Eurocode 3)描述了一种基于断裂力学的安全分析，同时也给出一种使用更为广泛的夏 比V 缺口冲击试验获得实用近似值。 现代结构钢的生产要求钢水具有高的洁净度，从而提供更好的韧性。这类钢通常要求低的硫 化物和氧化物夹杂，同时碳含量低，减少珠光体的体积分数。这种冶金要求方法广泛应用在现代 加铌的高强度低合金(HSLA)钢中，其中以铌产生细晶强化作为主要的强化机理( 同时改善韧性) 。 应指出的是，其他强化机理，即析出强化、位错强化或者固溶强化和应用高碳的强化途径等，都 有恶化韧性的效应。因此，钢的开发重点应放在晶粒尺寸细化上。 低碳及高洁净钢也有利于焊接性。研究表明:首先，钢在将要使用的服役温度下一定不能呈现 脆性；其次，钢应具有优越的塑性，承受任何裂纹扩展。例如，对海洋用钢板，裂纹尖端张开位 移(CTOD)测试要求的趋势证明对现代结构钢板的使用性能要求不断提高。在近期的一些工程中， 已经要求在-40℃进行试验，而对屈服强度 460MPa 钢要求在低至-60℃下进行夏比韧性 CVN 试验。 冶金工作者面临的挑战是要更好地理解合金化和整个工艺路线。 具体体现在如下几方面: ◆降低碳含量，减少珠光体的体积分